Как реализовать анимацию виртуальных моделей в среде Autodesk Fusion 360.
Использование компьютера для автоматизации проектных работ “балует” конструктора обилием таких возможностей, которые до недавних пор можно было получить, пожалуй, только на натурных образцах-моделях. В первую очередь это касается сборок, содержащих как отдельные подвижные элементы, так и целые кинематические схемы. Проектный анализ таких сборок без воплощения электронных прототипов в материальную форму позволяет экономить значительные средства. Действительно, очень удобно проверить функционирование изделия, предварительно оценив “работоспособность” его модели на экране монитора.
Посмотрим, как обстоит дело с тестированием виртуальных моделей сборок в системе Autodesk Fusion 360.
Наша модель – инженерная классика – кривошипно-шатунный механизм (рис.1). В этой сборке имеются типовые кинематические пары (три вращатель ные и одна поступательная), а каждая из подвижных деталей (кривошип, шатун и поршень) совершает по-своему уникальное движение. В среде Fusion 360 связать детали кинематическими парами позволя ет команда Joint (Соединение) или As-build Joint (Соединение по месту) из группы команд Assemble (Сборка).
При создании соединения требуется указать ключевые элементы на связываемых деталях и выбрать тип кинематической пары. Например, в нашем случае кривошип будет соединен с цилиндром связью типа Revolve (Вращение). Именно она после реализации остальных соединений будет приводить механизм в действие. Отметим, что все добавленные соединения получают уникальные имена и доступны для редактирования в браузере модели.
Самый простой способ проверить модель в дейст вии заключается в “ручной” буксировке какого-либо подвижного элемента – тогда связанная с ним кинема тическая схема придет в движение.
Другой вариант –заставить модель двигаться самостоятельно. Для этого Fusion 360 предлагает инструмент Motion Study (Анализ движения) из той же группы Assemble.
Работа с ним заключается в следующем. После выбора соединения, подвижность которого нужно проверить, на шкале времени следует задать точки со значениями варьируемого параметра этого соединения (рис. 2).
В исследуемой модели таким параметром для ключевого соединения – вращательной пары между кривошипом и цилиндром – является угол поворота.
Кнопки “проигрывателя” в нижней части окна Motion Study позволяют запустить анима цию выбранного соединения, а вместе с ним привести в движение всю кинематическую схему. При необхо димости в этом окне можно указать изменение по времени для нескольких соединений и проверить работу механизма при одновременном изменении параметровсоответствующих кинематических пар.
Инструментарий Motion Study весьма лаконичен – например, нет возможности записать движение механизма в видеофайл, а шкала времени проградуирована в условных процентах от общей продолжительности варьирования параметра. И, наконец, кинематика сборки отображается в рабочем поле в далеко не фотореалистичном виде. Для отладки модели это допустимо, но для маркетинговой презентации готового прототипа понадобится более качественная визуализация.
Autodesk Fusion 360 предлагает отдельную среду для фотореалистичного представления модели:
-набор команд Render, включающий в себя богатую палитру для работы с материалами
-редактор сцены (рис. 3).
Сам процесс визуализации (рендеринга) можно выполнять как на рабочем месте пользователя (In-Canvas), так и задействовав облачный ресурс Autodesk.
После запуска визуализации и по достижению необходимого качества готовое изображение модели можно сохранить в графическом файле (рис. 4).
На первый взгляд всё очень удобно, но как же быть с анимацией сборки? В Motion Study движение в модели воспроизводилось, но его отображение было далеко не идеальным, и сохранить его было нельзя. В среде же Render всё обстоит практически наоборот: есть весьма достойная визуализация, а вот поддержка движения не предусмотрена. Таким образом, задача получения качественной анимационной последовательности средствами Fusion 360 кажется нерешаемой.
Но, вместе с тем, среда Render содержит практически всё необходимое: есть и команда генерации изображения, и средство его сохранения. Если мы будем “вручную проворачивать” механизм, лежащий в основе сборки, а каждое новое положение визуализировать в среде Render, то на выходе может получиться качественная “раскадровка” анимации, которую без труда “соберет” практически любой видеоредактор. Итак, алгоритм есть, необходимо определиться с тем, кто (или что) его будет выполнять.
Рутинные, часто повторяющиеся действия лучше всего поручить компьютеру, поэтому обра тимся к скриптовым возможностям Fusion 360.
Для этого выберем на вкладке Tools (Инструменты) команду Scripts and Add-Ins (Скрипты и дополнения) и, нажав кнопку Create (Создать), напишем программу-скрипт на языке Python
В коде скрипта (рис. 6), после инициализации приложения Fusion 360 (app) и текущей сборки (root), следует задать значения переменных revs и StepValue, определяющих количество полных оборотов кривошипа для анимации и шаговый угол поворота кривошипа между отдельными визуализируемыми кадрами соответственно.
Далее получаем доступ (по имени) к вращательной паре-соединению между кривошипом и цилиндром (см. рис. 1) строкой:
driveJoint=root.asBuiltJoints.itemByName(‘Rev1’)
К возможности изменения угла поворота в этом соединении обращаемся с помощью команды:
revMot ion=adsk .fus ion .RevoluteJointMot ion . cast(driveJoint.jointMotion)
После этого вызываем среду визуализации Fusion 360 (“FusionRenderEnvironment”) и начинаем программно вращать кривошип с помощью цикла for на величину шага (StepValue).
На каждом шаге устанавливаем текущее положение кривошипа (строка revMotion.rotationValue=angle) и запускаем локальную визуализацию (команда ’InCanvasRenderComand’).
При этом следует дать системе Fusion 360 время (порядка 40 секунд) на генерацию изображения для текущего положения кривошипно-шатунного механизма, что осуществляется с помощью пустого цикла:
for i in range(4000): adsk.doEvents()
Наконец, после визуализации каждого кадра его необходимо сохранить в виде графического файла инструкцией:
app.activeViewport.saveImageFile(filename,0,0)
Имя каждого следующего кадра (filename) включает в себя порядковый номер, получаемый на основе инкремента счетчика цикла (stepNo+=1).
Готовый скрипт запускаем в окне Scripts and Add-Ins командой Run (см. рис. 5) и дожидаем ся его завершения. В ходе работы скрипта производится поворот кривошипа с заданным шагом, визуализация изменившегося состояния модели сборки и сохранение готовых изображений-кадров в графические файлы (рис. 7).
Поскольку имена файлов кадров на выходе из скрипта получаются пронумерованными, то видеоредактор (в нашем случае это программа VirtualDub) автоматически загрузит их на свою шкалу времени (Файл → Открыть видео файл), после чего анимационную последовательность можно записать в один общий видеофайл командой “Сохранить как AVI” (рис. 8)
Готовое видео анимированной сборки будет иметь тем большую плавность, чем меньше величина шага изменения варьируемого параметра соединения (StepValue), для каждого положения которого предлагаемый скрипт генерировал и сохранял кадры.
Итак, поставленная задача решена: получен видеофайл фотореалистичной анимированной модели сборки. Впрочем, рекомендовать этот путь начинающим пользователям универсальной CAD-системы Fusion 360 мы, пожалуй, не будем. Следует нем ного подождать и, скорее всего, разработчики из компании Autodesk добавят функционал шкалы времени в набор команд Render. Такой опыт у них уже есть – это реализовано в “старшем брате” системы Fusion 360, известном под именем Autodesk Inventor, в среде Inventor Studio (рис. 9).
Желающие же опробовать упоминаемый скрипто вый код могут найти его по ссылке [1], попутно расширив свои знания о структуре Fusion 360 API [2].
Наглядное представление результатов автоматизированного проектирования в виде анимации моделируемого изделия является хорошим дополнением к конструкторской документации, особенно в целях маркетингового продвижения. В арсенале системы Fusion 360 имеется ряд инструментов для варьирования пространственного положения компонентов сборок и фотореалистичной визуализации.
Использование интерфейса прикладного программирования (API) позволяет аккумулировать эти возможности для подготовки покадровой анимационной последовательности.
Полезные ссылки:
- Архив рассматриваемого проекта (Fusion 360) + скрипт (Python) // https://disk.yandex.ru/d/i_73oUVYcB-jmw
2.Онлайн-справка по Fusion360API // https://help.autodesk.com/view/fusion360/ENU/?guid=GUIDA92A4B10-3781-4925-94C6-47DA85A4F65A
Об авторе
Александр Юрьевич Стремнев – кандидат технических наук, доцент кафедры информацион ных технологий Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова